杭州市化工研究院院長(zhǎng)、俄羅斯自然科學(xué)院院士姚獻(xiàn)平優(yōu)勢(shì)頗多,市場(chǎng)潛力巨大
【CCN】納米纖維素在全降解材料、造紙、涂料等領(lǐng)域的應(yīng)用如何?有哪些優(yōu)勢(shì)?
【姚獻(xiàn)平】納米纖維素不僅具有天然纖維素可再生、可生物降解等特性,還具有大比表面積、高親水性、高透明性、高強(qiáng)度、高楊氏模量、低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn),為其形成各種功能性復(fù)合材料提供了可能,其在造紙、涂料、可降解材料、復(fù)合材料、電子產(chǎn)品、醫(yī)藥等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
在造紙應(yīng)用領(lǐng)域,納米纖維素原料來(lái)源于紙漿纖維素,在紙基功能材料應(yīng)用中具有天然的相容性優(yōu)勢(shì),可替代或降低化工助劑的用量,使造紙?bào)w系更加清潔環(huán)保。更重要的是,其可提高紙基功能材料的附加值,提高紙張強(qiáng)度、降低打漿能耗、提高細(xì)小纖維及填料留著,甚至賦予紙產(chǎn)品其他特殊性能,拓展終端應(yīng)用領(lǐng)域。我認(rèn)為,這也是最具有應(yīng)用潛力的一個(gè)方向。
在全降解材料領(lǐng)域,近年來(lái)白色污染問(wèn)題日益嚴(yán)重,自然環(huán)境與生物健康都受到嚴(yán)重威脅。如何解決塑料垃圾問(wèn)題越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視。生物基全降解材料是當(dāng)今全球最具增長(zhǎng)性的潛在領(lǐng)域之一,也是解決“白色污染”的有效手段。但現(xiàn)有生物基材塑料產(chǎn)品性能不及傳統(tǒng)塑料制品,在很多領(lǐng)域尚無(wú)法與傳統(tǒng)塑料相媲美,且價(jià)格居高不下,導(dǎo)致老百姓用不起;更重要的是,我國(guó)生物質(zhì)材料基礎(chǔ)研究和高性能材料研發(fā)滯后,成為制約領(lǐng)域發(fā)展的主要因素。納米纖維素是有望解決這些“卡脖子”技術(shù)難題的關(guān)鍵材料之一,將納米纖維素應(yīng)用于全降解復(fù)合材料中,不僅可以增強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度性能,從而增加價(jià)格低廉生物質(zhì)組分用量(如淀粉、木質(zhì)素)來(lái)降低成本,同時(shí)可提高材料的熱穩(wěn)定性能,調(diào)節(jié)全降解復(fù)合材料的降解周期。
除此之外,涂料也是納米纖維素的一大主要應(yīng)用領(lǐng)域,納米纖維素具有增稠、穩(wěn)定、增強(qiáng)等優(yōu)異性能,尤其可適用于較寬溫度及 pH、鹽濃度范圍,可作為優(yōu)異的流變改性助劑用于涂料、水泥、油田采油等領(lǐng)域。
【CCN】納米纖維素當(dāng)前綠色化制備的發(fā)展情況如何?
【姚獻(xiàn)平】纖維素是地球上取之不盡用之不竭的生物質(zhì)可再生資源,存在于木材、毛竹、棉花、秸稈、蘆葦、麻、桑皮等植物資源的細(xì)胞壁中,是自然界中儲(chǔ)量最為豐富的天然高分子材料。相比于人工合成高分子,纖維素來(lái)源廣泛,具有低成本、可再生、無(wú)毒、無(wú)污染、易于改性及可生物降解等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是未來(lái)世界能源和化工的主要原料之一。將纖維素的尺寸縮減至100納米以下,即稱為納米纖維素。
納米纖維素制備工藝眾多,如生物法、化學(xué)法、機(jī)械法等,單一的制備技術(shù)通常存在污染大、成本高、濃度低等問(wèn)題,綠色、低成本制備是當(dāng)前全球的努力方向。據(jù)悉,生物、化學(xué)、物理等學(xué)科技術(shù)相結(jié)合的方法是綠色制備的重要手段,但目前尚處初級(jí)階段。國(guó)內(nèi)納米纖維素的制備相對(duì)于國(guó)外產(chǎn)業(yè)化還有較大差距,尤其是綠色化制備關(guān)鍵技術(shù)亟需突破。
【CCN】納米纖維素全球的市場(chǎng)需求及產(chǎn)能情況如何?
【姚獻(xiàn)平】納米纖維素具有輕質(zhì)高強(qiáng)、高比表面積、極低的熱膨脹系數(shù)、優(yōu)異的耐候性、良好的生物相容性和可降解性等特點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域:
1.樹(shù)脂復(fù)合材料,如汽車輕量化高強(qiáng)度零部件材料,全降解材料,提高樹(shù)脂材料強(qiáng)度性能;2.造紙,通過(guò)對(duì)紙和紙板的增強(qiáng)和留著,可明顯節(jié)省纖維原料的使用;3.涂料、水泥等,能改善涂料水泥的流變性、穩(wěn)定性和強(qiáng)度性能;4.化妝品及個(gè)人護(hù)理用品,具有優(yōu)異的保水、成膜、導(dǎo)入和改善流變性等功能,且純天然,無(wú)刺激;5.過(guò)濾分離,具有超高比表面積及均勻的孔隙率,能夠有效實(shí)現(xiàn)過(guò)濾及分離;6.綠色可降解阻隔包裝材料,能延長(zhǎng)食品保質(zhì)期,替代現(xiàn)有不可降解石油基塑料;7.生物醫(yī)藥,可作為藥物活性成分的載體及緩釋材料;8.食品添加劑,增稠、有效保護(hù)食品的質(zhì)地及口感等。
納米纖維素的產(chǎn)能,據(jù)報(bào)道多數(shù)研發(fā)單位約1000-2000Kg/d(絕干),產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面還有待突破。
我認(rèn)為,納米纖維素市場(chǎng)潛力巨大。據(jù)美國(guó)農(nóng)業(yè)部林業(yè)局(USDA)預(yù)測(cè):納米纖維素美國(guó)市場(chǎng)潛力為640萬(wàn)噸,全球市場(chǎng)潛力為3500萬(wàn)噸,美國(guó)加工公司(API)預(yù)計(jì):納米纖維素發(fā)展趨勢(shì)與塑料類似(見(jiàn)圖1),2045年能實(shí)現(xiàn)USDA的預(yù)期目標(biāo)。
圖1 納米纖維素發(fā)展趨勢(shì)【CCN】當(dāng)前納米纖維素已成為全球的研發(fā)熱點(diǎn),但在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面還有待突破。納米纖維素的推廣難點(diǎn)在哪里?
【姚獻(xiàn)平】由于納米纖維素的制備成本較高,限制了其在一些領(lǐng)域的應(yīng)用;此外,納米纖維素應(yīng)用是一個(gè)系統(tǒng)工程,研發(fā)端需要多學(xué)科交叉,多技術(shù)的集成,同時(shí)需要與市場(chǎng)緊密結(jié)合,缺失任一環(huán)節(jié)都可能導(dǎo)致失敗。一些關(guān)鍵技術(shù)還需要攻關(guān),如納米纖維素分散技術(shù),改性技術(shù)及及工程應(yīng)用技術(shù)等。
納米纖維素的產(chǎn)業(yè)化瓶頸是很多的,除了制備瓶頸以外,還有產(chǎn)業(yè)化一些專用設(shè)備的瓶頸等。另外,在造紙行業(yè)的應(yīng)用,應(yīng)用技術(shù)和裝備也非常重要的。產(chǎn)業(yè)化過(guò)程就像一條鏈條,這條鏈條環(huán)環(huán)相扣,缺哪一個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)導(dǎo)致脫節(jié)失敗。
追趕差距,提升技術(shù)突破能力
【CCN】我國(guó)納米纖維素產(chǎn)業(yè)化的全球地位如何?
【姚獻(xiàn)平】近年來(lái),納米纖維素的商業(yè)化生產(chǎn)已從小型實(shí)驗(yàn)室規(guī)模逐漸發(fā)展到每天噸級(jí)工業(yè)化示范規(guī)模。但是仍存在綠色制備關(guān)鍵技術(shù)難突破、制備成本高、環(huán)境處理壓力大、后續(xù)應(yīng)用需求不匹配等瓶頸制約問(wèn)題等,從而導(dǎo)致納米纖維素的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程受阻。
國(guó)內(nèi)在納米纖維素研究也十分活躍,但許多產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)方面尚未突破,納米纖維素的規(guī)?;苽浞矫孑^國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定的差距。產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的深度和廣度也有一定差距。
【CCN】您團(tuán)隊(duì)目前的研究有哪些新進(jìn)展?有哪些產(chǎn)業(yè)化合作的技術(shù)?
【姚獻(xiàn)平】杭州市化工研究院與華南理工大學(xué)、輕工業(yè)杭州機(jī)電設(shè)計(jì)研究院等共同承擔(dān)了國(guó)家“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目。本項(xiàng)目成功創(chuàng)建了首條100 kg/d(絕干)納米纖維素綠色制備中試示范線,并進(jìn)行一系列納米纖維素的高值化應(yīng)用研究,并于2021年6月順利通過(guò)項(xiàng)目驗(yàn)收,為規(guī)?;_(kāi)發(fā)應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。
目前我們又承擔(dān)了浙江省尖兵計(jì)劃項(xiàng)目“高性能納米纖維素的產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用”。與浙江大學(xué)、華南理工大學(xué)、浙江理工大學(xué)、浙江省全降解及納米材料制造業(yè)創(chuàng)新中心等共7家單位共同成立創(chuàng)新聯(lián)合體進(jìn)行攻關(guān)。
目前我們高性能納米纖維素生產(chǎn)線建設(shè)進(jìn)展順利,擬于2023年內(nèi)建成1000 kg/d(絕干)示范生產(chǎn)線,為大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化打下基礎(chǔ)。在高值化應(yīng)用方面,我們?cè)谠旒?、阻隔材料、全降解材料、化妝品、涂料等領(lǐng)域均已取得一定進(jìn)展。特別是造紙領(lǐng)域,納米纖維素基轉(zhuǎn)移印花涂料已取得技術(shù)突破,實(shí)現(xiàn)商品化應(yīng)用,目前正在加快市場(chǎng)推廣中。此外,納米纖維素基防油、阻氧、阻水蒸氣材料,以及紙張?jiān)鰪?qiáng)實(shí)現(xiàn)降定量節(jié)約木漿纖維等方面均取得進(jìn)展,已與國(guó)內(nèi)數(shù)家大型食品包裝、造紙企業(yè)(包括外資企業(yè))等進(jìn)行合作推進(jìn)?;瘖y品領(lǐng)域分散技術(shù)也取得突破,目前正在商業(yè)準(zhǔn)入中,展示出良好的市場(chǎng)前景。
專家介紹
姚獻(xiàn)平,教授級(jí)高工,浙江省特級(jí)專家,俄羅斯自然科學(xué)院院士,中國(guó)化工學(xué)會(huì)首批會(huì)士,中國(guó)化學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員,國(guó)務(wù)院特殊津貼獲得者,現(xiàn)任杭州市化工研究院院長(zhǎng)、中國(guó)造紙化學(xué)品工業(yè)協(xié)會(huì)榮譽(yù)理事長(zhǎng)、中國(guó)造紙學(xué)會(huì)特聘副理事長(zhǎng)、國(guó)家造紙化學(xué)品工程技術(shù)研究中心主任、中國(guó)材料與試驗(yàn)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)生物基化工材料技術(shù)委員會(huì)副主任、浙江省生物基全降解及納米材料創(chuàng)新中心主任、浙江省新材料新能源聯(lián)合會(huì)專家委員會(huì)主任等職;長(zhǎng)期從事造紙化學(xué)品、淀粉衍生物、納米纖維素等生物質(zhì)基功能材料的研發(fā),主持國(guó)家、省市科研項(xiàng)目30余項(xiàng),開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品80多個(gè),其中國(guó)家重點(diǎn)新產(chǎn)品10個(gè),獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng),部省級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)3項(xiàng)、技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)1項(xiàng),其它獎(jiǎng)20余項(xiàng)次;發(fā)明專利22項(xiàng),獲中國(guó)優(yōu)秀專利獎(jiǎng)2項(xiàng);撰寫(xiě)論文130余篇,出版著作7本,其中2022年7月新出版先進(jìn)化工材料關(guān)鍵技術(shù)叢書(shū)--《紙基功能材料》;其成果全部實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益顯著,獲國(guó)家70周年紀(jì)念章(2019)、“十一五”國(guó)家科技計(jì)劃執(zhí)行突出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)、中國(guó)造紙行業(yè)十大領(lǐng)軍人物(2019)、侯德榜化工科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)、科學(xué)中國(guó)人年度人物、全國(guó)化工優(yōu)秀科技工作者、浙江省最美科技人(2020)和科學(xué)企業(yè)家(2021)等榮譽(yù)稱號(hào);為十一屆全國(guó)人大代表。


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